Sub-Dopplerovo hlađenje atoma Danijel Buhin, Institut za fiziku Mentorica: dr. sc. Ticijana Ban

Primjene laserskog hlađenja Atomski satovi Bose – Einsteinov kondenzat Na slici je dualni atomski sat u NIST-u ytterbium http://phys.org/news/2016-11-nist-debuts-dual-atomic-clockand.html 1 https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2016/nistdebutsdu.jpg http://jilawww.colorado.edu/bec/images/bec.png

Primjene laserskog hlađenja Kvantni simulatori Kvantna računala Atomska interferometrija – mjerenje gravitacijske konstante, konstante fine strukture, univerzalnost slobodnog pada, predložena je ideja za mjerenje gravitacijskih valova, akcelometri, gravitacijska gradiometrija, senzori rotacija, … 2 http://aerospacengineering.net/wp-content/uploads/2016/12/quantum_information_and_simulation.jpg http://www.blogs.uni-mainz.de/fb08-hyqs/files/2014/02/JJ_junction.jpg

Magneto – optička stupica Procesi apsorpcije i spontane emisije Laserska zraka 3

Magneto – optička stupica Procesi apsorpcije i spontane emisije Laserska zraka 3

Magneto – optička stupica Procesi apsorpcije i spontane emisije Laserska zraka Ukupna sila na atom 3

Magneto – optička stupica Kružno polarizirane laserske zrake i prostorni gradijent magnetskog polja 4 C. J. Foot: Atomic Physics, Oxford University Press, 2005

Temperatura u laserskom hlađenju Termodinamika Lasersko hlađenje Termalna ravnoteža s okolinom Termalni kontakt Stacionarno stanje 1 𝑇 = 𝑑𝑆 𝑑𝐸 Okolina se mijenja Atomi apsorbiraju i emitiraju fotone Može biti u stacionarnom stanju 1 2 𝑘 𝐵 𝑇= 𝐸 𝑘 5

Temperaturna skala 6 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

Temperaturna skala 6 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

Karakteristične temperature 𝑘 𝐵 𝑇 𝐶 = 𝑚 Γ 2 𝑘 2 𝑣 𝐶 = Γ 𝑘 ∼1 𝑚 𝑠 𝑇 𝐶 ∼1 𝑚𝐾 7 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

Karakteristične temperature Dopplerova temperatura 𝑘 𝐵 𝑇 𝐷 = ℏΓ 2 𝑣 𝐷 ∼30 𝑐𝑚 𝑠 𝑇 𝐷 ∼150 𝜇𝐾 8 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

Karakteristične temperature Temperatura odboja 𝑘 𝐵 𝑇 𝑟 = ℏ 2 𝑘 2 𝑚 𝑣 𝑟 = ℏ𝑘 𝑚 ∼1 𝑐𝑚 𝑠 𝑇 𝑟 ∼1 𝜇𝐾 Tr(Rb87) = 362 nK 9 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

Sub-Dopplerovo hlađenje Hlađenje pomoću gradijenta polarizacije 𝜎 + − 𝜎 − konfiguracija Sizifovo hlađenje 𝑙𝑖𝑛⊥𝑙𝑖𝑛 konfiguracija Gradijent polarizacije Pomak energije atomskih prijelaza u interakciji s laserom Light shift, Δ Intenzitet zrake i frekventni pomak lasera za hlađenje 𝐼, 𝛿= 𝜔 𝐿 − 𝜔 𝑎 10

Polarizacija zraka u konfiguraciji 𝝈 + − 𝝈 − 𝐸 = 𝐸 0 𝑥 cos 𝜔𝑡−𝑘𝑧 + 𝑦 sin 𝜔𝑡−𝑘𝑧 + 𝐸 0 𝑥 cos 𝜔𝑡+𝑘𝑧 − 𝑦 sin 𝜔𝑡+𝑘𝑧 𝐸 =2 𝐸 0 cos 𝜔𝑡 [ 𝑥 cos 𝑘𝑧 + 𝑦 sin⁡(𝑘𝑧)] 11 H. J. Metcalf, P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer, 1999

𝑱 𝒈 =𝟏 → 𝑱 𝒆 =𝟐 Atom koji miruje 𝑃(| 1,0 → 2,0 = 2 3 Linearno polarizirano polje: Δ𝑚=0 𝑃(| 1,0 → 2,0 = 2 3 𝑃(| 1,±1 → 2,±1 = 1 2 12

𝑱 𝒈 =𝟏 → 𝑱 𝒆 =𝟐 Atom koji miruje Π 0 : Π ±1 =9:4 𝑃(| 1,0 → 2,0 →| 1,±1 = 2 3 ⋅ 1 6 = 1 9 𝑃(| 1,±1 → 2,±1 →| 1,0 = 1 2 ⋅ 1 2 = 1 4 Π 0 : Π ±1 =9:4 13

𝑱 𝒈 =𝟏 → 𝑱 𝒆 =𝟐 Atom koji se giba 𝑣>0 𝛿<0→ Δ 0 <0 Referentni sustav koji rotira Neadijabatsko vezanje ∼𝑘𝑣 Neravnoteža u naseljenostima Π +1 − Π −1 = 40 17 𝑘𝑣 Δ 0 𝑣>0 𝛿<0→ Δ 0 <0 ⇒ Π −1 > Π +1 14

Atom koji se giba 𝑱 𝒈 =𝟏 → 𝑱 𝒆 =𝟐 15

Ravnotežna temperatura 𝑱 𝒈 =𝟏 → 𝑱 𝒆 =𝟐 𝑘 𝐵 𝑇= ℏ Γ 2 𝐼 𝛿 𝐼 𝑠𝑎𝑡 29 300 + 254 75 Γ 2 /4 𝛿 2 + Γ 2 /4 16

Tehnika mjerenja vremena proleta 17

Tehnika mjerenja vremena proleta 17

Tehnika mjerenja vremena proleta 17

Tehnika mjerenja vremena proleta 17

Ekspanzija oblaka 18

Tehnika mjerenja vremena proleta Početna raspodjela je Gaussova Raspodjela brzina je Maxwell- Boltzmannova 𝜎 2 𝑡 = 𝜎 0 2 + 𝑘 𝐵 𝑇 𝑚 𝑡 2 19

Temperatura atoma u ovisnosti o frekventnom pomaku lasera za hlađenje Γ=6.065 MHz 20

Temperatura atoma u ovisnosti o intenzitetu lasera za hlađenje 21

Zaključak 𝑘 𝐵 𝑇= ℏ Γ 2 𝐼 𝛿 𝐼 𝑠𝑎𝑡 29 300 + 254 75 Γ 2 /4 𝛿 2 + Γ 2 /4 𝑘 𝐵 𝑇= ℏ Γ 2 𝐼 𝛿 𝐼 𝑠𝑎𝑡 29 300 + 254 75 Γ 2 /4 𝛿 2 + Γ 2 /4 Sub-Dopplerovo hlađenje atoma rubidija u 𝜎 + − 𝜎 − konfiguraciji Tehnika mjerenja vremena proleta Ovisnost temperature o frekventnom pomaku lasera za hlađenje Ovisnost temperature o intenzitetu lasera za hlađenje 22